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Fotoelektrische Detektorschaltung
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Gegenstand dieser Erfindung ist eine impulsgesteuerte fotoelektrische
Detektorschaltung oder Optokopplerschali;ung.
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Schaltungen, die aus zu Paaren yruppierten lichtabstrahlenden Schaltungselementen
und lichtaufnehmenden Schaltungselementen bestehen, werden als Detektorschaltung
oder Meßfühlerschaltung zur Erfassung von Meßgrößen oder für andere Zwecke vielfach
verwendet. Die Meßfühlerschaltung setzt sich ganz allgemein zusammen aus zwei einander
benachbaren Schaltungselementen, die den Durchgang des Lichtes oder den Nichtdurchgang
des Lichtes zu erfassen haben. Um Winkel, Farben und dergleichen mehr erfassen zu
können wird auch mit reflektiertem Licht gearbeitet. Die lichtemittierende Diode
oder Leuchtdiode wird mit konstantem oder intermittierendem Strom versorgt. Um ein
auf das Rauschen des lichtaufnehmenden Elementes, beispielsweise eines Fototransistors,
beruhendes Fehlverhalten zu vermeiden, muß bei konstantem Strom das erzeugte Licht
eine größere Intensität haben als bei intermittierend aufgeschalteten Strom. Die
Nennleistung der lichtabstrahlenden Diode oder Leuchtdiode ist im Falle des Gleichstrombetriebes
so gering, daß auch die Stromaufnahme begrenzt ist. Und so gibt es Fälle, bei denen
die Verwenduny von lichtabstrahlenden Dioden oder Leuchtdioden deswegen nicht möglich
ist, weil das Außenlicht eine große Intensität hat oder weil zwischen der Leuchtdiode
und dem Fototransistor eine große Distanz zu überbrücken ist.
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Ein System, das intermittierend gesteuert wird, kann eine größere
Nennleistung haben als ein System, das - wie dies zuvor angeführt ist - mit konstantem
Strom arbeitet. Das hat zur Folge, daß auch der Signal-Rauschabstand S/N groß sein
kann, daß weiterhin ebenfalls der Abstand zwischen der lichtabstrahlenden Leuchtdiode
ud dem Fototransistor groß sein kann. Ein typisches Ausführungsbeispiel für eine
impulsgesteuerte fotoelektrische Detektorschaltung ist in Fig. 1 dargestellt. Das
von einem Impulsgenerator 11 erzeugte Impulssignal wird einer Treiberschaltung 12
zugeführt, und zwar derart, daß einelichtabstrahlende Diode oder Leuchtdiode 13
in intermittierender oder aussetzender Weise im Ansprechen auf das Ausgangssignal
der Treiberschaltung 12 aufleuchtet und Licht abstrahlt. Dieses Licht wird dann
von einem Fototransistor 14 aufgenormen und in ein elektrisches Signal umgesetzt,
das als Ausgangssignal über ein Filter 15 und einen Wechselstromverstärker der eigentlichen
Detektorschaltung lfi und einer Schmitt-Triggerschaltung 18 zugeführt wird.
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Diese herkömmliche Schaltung weist jedoch einige Nachteile auf, dabei
handelt es sich insbesondere um die große Anzahl von Kondensatoren, welche im Filter
15 und im Stromverstärker 16 und dergleichen mehr erforderlich sind, weas eine monolithische
Integration dieser Schaltung schwierig gestaltet. Darüber hinaus neigt die Schaltung
dann zu einer Fehlfunktion, wenn ein Schwanken in der Stärke des externen Lichtes
zu verzeichnen ist.
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Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, eine impulsgesteuerte
fotoelektrische Detektorschaltung zu schaffen, bei der externes Störungslicht keine
Fehlfunktion mehr hervorrufen kann und die ganz leicht als integrierte Schaltung
ausgelegt und konstruiert werden kann.
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Zur Lösung der ihr gestellten Aufgabe siehr die Erfindung eine impulsgetriebene
fotoelektrische Detektorschaltung oder impusgetriebene Optokopplerschaltunq vor,
die sich wie folgt zusammensetzt:- aus einem lichtabstrahlenden Element, welches
von einem Impulsgenerator gesteuert wird und dabei ein Signal erzeugt, das von einem
lichtaufnehmenden Element aufgenommen wird, und aus einer Schaltung, die auf ein
Ausgangssignal des lichtaufnehmenden Empfangselementes nur dann anspricht, wenn
ein Ausgangsimpuls erzeugt und aufgeschaltet wird. Die eigentliche Detektorschal
Lung ist vorzugsweise als ein elektronisches Schaltelement (latch circuit) ausgeführt,
dessen Steuerungseingang entweder direkt oder über einen monostabilen Multivibrator
auf den Impulsgenerator geführt ist und das einen zweiten Eingang hat, der mit dem
1 ich taufnehmenden Empfangse 1 ement verbunden ist.
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Gegenstand dieser Erfindung ist somit eine fotoelektrische Detektorschaltung
oder eine Optokopplerschaltung und zu dieser Schaltung gehören ein lichtabstrahlendes
Element (44) urid ein Fototransistor (47). Das lichtabstrahlende Element (44) wird
von einem Impu 1 sgerierator (41) dessen Ausgang auf einen
der zur
elektronischen Verriegelungsschaltung (latch circuit) (49) gehörenden Eingänge geführt
ist und die mit ihrem anderen Eingang das Ausgangssignal der Detektorschaltung (47)
über einen monostabilen Multivibrator (51) derart aufgeschaltet erhält, daß dabei
das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators als Austastsignal oder Steuerungssignal
wirksam wird und die Detektorschaltung, die aufgrund des Störlichtes Streuausgänge
erzeugt, zuvor abschaltet.
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Die Erfindung soll nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles (der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher
erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:-Fig. 1 Ein Blockschaltbild einer fotoelektrischen
Detektorschaltung herkömmlicher Art.
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Fig. 2 Ein Blockschaltbild,mit dem die Grundidee dieser Erfindung
dargestellt ist.
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Fig. 3a Signal-Zeit-Diagramme für Fig. 2.
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bis 3c Fig. 4 Ein Schaltbild betreffend eine Ausführung dieser Erfindung.
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Fig. 5a Die Signal-Zeit-Diagramme für die Ausführung bis 5e nacti
Fig. 4.
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Fig. 6 Ein Scahltbild eines anderen Ausführunysbeispieles der Erfindung.
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Fig. 7a Si99xal-Zeit-Diagramlne für das Ausführungsbis 7e nach Fiy.
6.
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Fig. 8 Ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
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Fig. 9a Signal-Zeit-Diagramllle für das mit Fig . 8 bis 9e wiedergegebene
Ausführungsbeispiel.
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Fig. 10 Schaltbilder von weiteren Ausführungsbei-und 11 spielen der
Erfindung.
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Bei dieser Art der Schaltung wird das Ausgangssignal des lichtaufnehncrden
Empfangselenlentes gegenüber dem Treiberimpuls oder Steuerungsimpuls verzögert.
Ein Beispiel dafür sind die Wellenformen oder Signal-Zeit-Diagramme, die in Fig.
3a bis 3c für das mit Fiy. 2 wiedergegebene Ausführungsbeispiel der Schaltung angeführt
sind. Bei der Schaltung nach Fig. 2 wird das vom Impulsgenerator 21 erzeugte Impulssignal
einer Treiterschal@ung oder Steuerunysschaltung 22 aufgeschaltet, deren Ausgan!ssignal
dann wiederum auf den Basisanschluß eines Transistors 23 geführt wird. Mit seinem
Emitteranschluß ist der Transistor 23 an Erde/Masse gelegt, wohingegen mit dem Kollektoranschluß
dieses Tran, tors 23 ein G 1 ei chspannungs anschluß Vccl verbunden ist, und zwar
über einen Widerstand 24 und er eine lichtabstrahlende Leuchtdiode 25. Der Emitter
eines Fototransistors 26 liegt über einen Widerstand 27 an Erde/Masse und mit dem
Kollektor dieses Fototransistors 26 ist ein Gelchspannungsanschluß Vcc2 verbunden.
Zum Wollektorarlschluß 26 gehört auch noch die Ausgangsklemme 28.
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Wird, (wie dies in Fig. 3a dargestellt ist), bei dieser Schaltung
dem Transistor 23 ein Steuerungssignal
aufgeschaltet, dann erscheinen
das (mit Fig.
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3b wiedergegebene) Lichtabstrahlungssignal und das (mit Fig, 3c dargestellte)
Ausgangssignal als verzörgert. Was die Verzögerungen betrifft, so ist typisch, daß
es sich bei Ts und Td um mehrere /u-Sekunden handelt, bei Tr und Tf um Zehntel von
1u-Sekunden, und zwar dann, wenn die lichtabstrahlende Leuchtdiode2aus s GaAs (Gallium-Arsen)
hergestellt ist und wenn es sich bei dem Fototransistor 26 um einen einzelnen Fototransistor
handelt. Vcc2 ist dabei gleich 10 Volt und der Widerstand 27 hat einen Widerstandswert
von 1 Kilo-Ohi. Die Anteile der vorerwähnten Verzögerungslaufzeiten sind zwecks
Erleichterung der Darstellung geändert worden. Diese Verzögerungszeiten verlängern
sich dann, wenn ein als Darlingtonschaltung ausgeführter Fototransistor verwendet
wird. Diese Verzögerungszeiten sind aber auch bei der normalen und aus diskreten
Schaltungselenienten ausgeführten Schaltung oder bei einer normalen integrierten
Schaltung. Mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes werden
diese Verzögerungszeiten dazu benutzt, ein Signal zu erzeugen, das nur im Ansprechen
auf einen Treiberimpul oder Steuerungsimpuls einen Ausgang ermoglicht.
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Nachs tehei;c c ()ll die Erfindurig nun anhand der Zeichnung in aller
Ausführlichkeit beschrieben und erläutert werden.Das mit Fig. 4 dargestellte Schaltbild
zeigt eine Schaltung dieser Erfindung. Das Ausgangssignal eines Impulsgenerators
41 wird übar eine Treibersctlalturlg oder Steuerungsssctlalturlg 42 und über einen
Widerstand 43 dem Basisanschluß eines
Transistors 44 aufgeschaltet.
Der Emitteranschluß dieses Transistors 44 liegt an Erde/Masse und der Kollektoranschluß
dieses Transistors 44 ist über einen Widerstand 45 und über eine lichtabstrahlende
Leuchtdiode 46 mit einem Gleichspannungsanschluß V ccl verbunden. Gegenüber der
lichtabstrahlenden Leuchtdiode 46 ist ein Fototransistor 47 derart angeordnet, daß
das Licht an der Basis des Fototransistors 47 aufgenommen wird. Mit seinem Emitteranschluß
ist der Fototransistor 47 an Erde/Masse gelegt, während er mit seinem Kollektoranschluß
mit einer Gleichspannungsquelle V cc2 verbunden ist. Der Ausgang des Fototransistors
47 ist auf den Eingangsanschluß einer Verriegelungsschaltung (latch circuit) geführt,
die mit der Hinweiszahl 49 gekennzeichnet ist.
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Der Ausgangsanschluß der Treiberschaltung/Steuerschaltung 41 ist über
einen Inverter auf einen nonostabilen Mulitvibrator 51 geführt. Dieser monostabile
Multivibrator 51 erzeugt ein Ausgangssignal,das eine voreinyestellte und vorgegebene
Impulsbreite hat.
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Das Ausgangssignal aus dem monostabilen Multivibrator ist auf den
Tateingang CP der Verriegelungsschaltuny ( latch circuit) geführt, und zwar über
den Inverter 52. Die Verriegelungsschaltung 49 erzeugt nur dann im Ansprechen auf
das Lichtaufnahmesignal ein Ausgangssignal, wen das Signal mit der vorgegebenen
Impulsbreite oder Impulslaufzeit erzeugt wird.
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Das bedeutet nun, daß bei der zuvor beschr i ebenen fotoelektrischen
Detektorschaltung die vom Ipulsgenerator 41 erzeugen Impulssignale ii Hinblick auf
ihre
Frequenz und auf ihre Wellenformen in der Treiberschaltung oder Steuerungsschaltung
42 derart justiert und verarbeitet werden, daß dabei das mit Fig. 5a wiedergegebene
Lichtabstrahlungs-Steuerutigssignal entsteht. Dieses Lichtabstrahlungs-Steuerungssignal
wird dem Transistor 44 derart aufgeschaltet, daß dieser sich einschaltet und sich
ausschaltet und dabei entweder in den Durchlaßzustand oder in den Sper rzustand
übergeht. Im Ansprechen auf den jeweils für den Transistor 44 geltenden Schaltzustand
leuchtet nun auch die lichtabstrahlende Leuchtdiode 46 in einer intermittierenden
oder aussetzenden Weise immer wieder auf. Dieses Licht gelangt dann, wenn der Strahlengang
zwischen Leuchtidiode und Fototransistor frei ist in den Fototransistor, oder aber
dieses Licht wird in seiner übertragung zum Fototransistor dann behindert, wenn
sich im Strahlengang zwischen Leuchtdiode und Fototransistor ein (nicht daryestellter)
zu erfassender Gegenstand befindet.
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Das derart übertragene Licht wird vom Fototransistor 47 aufgenommen
und dabei in ein elektrisches Signal umgesetzt, wobei danri das Lichtaufnahmesinal
nach Fig. 5b ensteht. Dieses Lichtaufnahmesignal wird der Verriegelungsschaltung
49 zugeführt.
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Zur gleichen Zeit wird das Leuchtdioden-Steuerungssignal vom Inverter
50 invertiert und dem monostabilen Multivibrator 51 aufgeschaltet, der dann seinerseits
wiederum ein Einsclialtsignal - (Fig. 5c )-erzeugt, das eine vorgegebene oder voreingestellte
Impulsbreite oder Impulsdauer hat. Das vom eionostabilen
Multivibrator
51 erzeugte Signal wird den Steuerungseinyang oder dem Zeittakteinyang CP der Verr
i ege 1 ungs schaltung 49 aufgeschaltet, die dann ihrerseits wiederum ein Ausgangssignal
dann erzeugt, wenn das Einschaltsignal nach Fig. 5c gleichzeitig mit dem Ausgangssignal
nach Fig. 5d erzeugt wird.
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Für das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung gilt,
daß das Lichtaufnahmesignal im Scheitel des Einschaltsignales gelesen und heruasgeführt
wird. Das Lesen oder Herausführen des Lichtaufnahrllesigrlales k anri aber au coli
dann stattfindell, wenn sich das Einschaltsignal im Zustand der abfallenden Flanke
befindet, (das Ausgangssignal ist in Fig. 5e dargestellt und wiedergegeben).
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In Fig. 6, mit dem ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
vorgestellt wird, sind gleiche oder ähnliche Schaltungskomponenten auch mit den
Hinweisenzahlen gekennzeichnet, die im Zu.
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sammenhang mit Fig. 4 verwendet worden sind. Das Ausgangssignal eines
Fototransistors 47 wird über einen Inverter 53 dem Eingang eines monostabilen Multivibrators
54 aufgeschaltet, dessen Ausgangssignal wiederum über einen 1 ri ver ter 55 auf
den Eingangsanschluß einer D-Flip-Flop-Schaltung 56 geführt wird. Auf der anderen
Seite wird das Ausganyssignal der Treiberschaltung/Steuerschal'ung 42 dem Steuerungseinyang
oder Zeittakeingang CP der D-Flip-Flop-Schaltuny 56 aufgeschaltet.
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Ebenfalls dem Steuerungseingang oder Zeittakteingang CP der D-Flip-Flop-Schaltung
56 wird das
(mit Fig. 7a dargestellte) Leuchtdioden-Steuerungssignal,
, wobei das vorerwähnte Einschaltungssignal logisch an der ansteigenden Flanke oder
an der abfallenden Flanke des für das Aufleuchten bestimmten Steuerungssignales
herausgeführt und gelesen wird.
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Das Ausgangssignal ist mit Fig. 7d oder mit Fig. 7e dargestellt und
wiedergegeben.
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Fig. 8 zeigt nun das Schaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispieles
des Erfindungsgegenstandes. Auch hier sind gleiche oder ähnliche Schaltungskomponenten
mit den allgemeinen Hinweiszahlen gekennzeichnet, die auch für Fig. 4 verwendet
worden sind. Das Ausgangssignal des Impulsgenerators 41 wird dem Basisanschluß eines
Darlington-Transistors 58 aufgeschaltet, und zwar über eine Arbeitsphasen-/Tastverhältnis-Anderungsschaltung
57, über die Treiberschaltung/ Steuerungsschaltung 42 und über den Widerstand 43.
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Die Arbeitsphasen-/Tastverhältnis-Ärlderurlgsschaltung 57 wird dazu
verwendet, das Tastverhältnis der vom Impulssenerator 41 erzeugten Ausgangsimpulse
in über einstimmung mit dem zwischen der lichtabstrahlenden Leuchtdiode 46 und dem
lichtaufehmenden Fototransistor 47 zu verändern. Durch Verringerung oder Verkürzuny
des Tastverhältnisses wird der Strom zur lichtabstrahlenden Leuchtdiode 46 dann
erhöht, wenn der Abstand d länger wird. Der Kollektoranschluß des Fototransistors
47 ist über einen Inverter 59 auf den Eingangsanschluß einer D- Flip-Flop-Schaltung
60 zugeführt, wohingeyeii das Allsgallyssigllal der AYt)eitsphasen-/Tastverhältnis-Änderungsschaltuny
57 den Steuerungseingang oder Zeittakteingang CP der D -Flip-Flop-Schaltung 60 aufgeschaltet
wird.
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Das modifizierte und geänderte Impulssignal ist in Fig. 9a dargestellt.
Fig, 9b zeigt den Lichtdurchgang und das Unterbrechen des Lichtdurchganges durch
einen Rotor 61, während die für den Kollektor des Fototransistors 47 mögliche Wellenform
in Fig. 9c wiedergegeben ist. Das mit Fig. 9d gezeigte Ausganyssignal des Fototransistors
47 wird durch den Inverter 59 invertiert und dann der D-Flip-Flop-Schaltung 60 zugeführt
und aufgeschaltet. Dieses Signal erscheint in der Logik in einer der abfallenden
Flanke des Signales aus der Arbeitsphasen-/Tastverhältnis-Anderungsschaltung und
wird herausgeführt, damit das mit Fig. 9e dargestellte Ausgangssignal entsteht oder
entstehen kann.
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Bei dieser Schaltung können das Lichtabstrahlungs-Ausgangssignal und
der Singal-Rauschstand S/N durch die Änderung des Tastverhältnisses verstärkt werden.
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Ebenfalls möglich ist es, den Widerstandswert des mit dem Fototrasistor
47 verbundenen Widerstandes 62 derart zu verringern, daß dadurch die Schalthäufigkeit
des Fototransistors 47 erhöht wird, so daß dann der Fototransistor 47 öfter schalten
muß. Die Triggerungszeit, d.h. die Lese-oder Abtastzeit, ist im Vergleich zu einem
Arbeitszyklus des lichteniittierenden Signales sehr kurz, so daß eine Fehlfunktion,
welche durch externe Störungsquellen verursacht sein könnte, vermieden wird. Die
Daten können an der abfallenden Flanke des Ausgangssignales aus der Arbeitsphasen-/Tastverhältnis-anderurlysschaltuny
57 abgetastetet oder gelesen werden, so daß eine Anderung der Impulsbreite des Lichtaufnahmesignales
n-icht erforderlich ist, so daß weiterhin auch ein monostabiler Multivibrator nicht
vorgesehen zu werden braucht.
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Sollte das externe Störungslicht zu stark sein, dann läßt sich - wie
dies in Fig. 10 und in Fig. 11 dargestellt ist - die Einwrikung dieses externes
Störungslichtes dadurch verhindern, daß Kopplungskondensatoren 63 in den Lichtaufnahmekreis
geschaltet werden.
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Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird
die Stromaufnahme/Leistungsaufnahme verringert, wird der Einfluß von externen Störungslicht
verhinderrt und wird - wenn man dies mit den bekannten Schaltungen vergleicht -
ein hoher Integrationsgrad ermöglicht.
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Es sind zwar nur einige wenige Ausführurigsbeispiele als für diese
Erfindung typisch vorgestellt und beschrieben worden, dennoch sollte es den Fachleuten
auf diesem besonderen Fachgebiet klar sein, daß - ohne vom Geist und Umfang der
Erfindung abweichen zu müssen - viele Anderungen und Modifikationen an den exemplarischen
Ausführungsbeispielen der Erfindung möglich sind . Aus diesem Grunde sollen auch
all derartigen Modifikationen und Anderungen in den Umfang der mit den Patentansprüchen
definierten Erfindung hineingenommen werden.
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L e e r s e i t e